中国东南部Makeng Fe矽卡岩矿床中的石榴石纹理与成分特征

《Journal of Asian Earth Sciences》：Garnet texture and composition in the Makeng Fe skarn deposit, Southeastern China

以福建马坑铁矽卡岩矿床石榴石为研究对象，通过矿物学、元素分析和U-Pb年代学方法，揭示其形成流体演化及成矿环境。结果显示，石榴石分为四类，GrtI-IV的Andradite/Grossular含量差异导致稀土元素配分和氧逸度分异，U-Pb年龄（132.1±2.7 Ma）与区域花岗岩一致，证实岩浆-热液活动主导成矿，Sn（1098 ppm）、W（138 ppm）显著富集，为矽卡岩型Sn-W矿化指示。

　　

庄子涵|徐静|郑伟|赵太平|沈火春|胡嘉兴|邢波

福州大学地质与矿业学院，中国福州350108

摘要

矽卡岩形成过程中的流体演化及其物理化学条件的变化对于理解矽卡岩矿化作用至关重要。本文以马肯铁矽卡岩矿床中的石榴石为研究对象，旨在探讨流体的演化过程及其相关环境。马肯矿床是东南亚第二大铁矽卡岩矿床，已探明铁资源总量为4.34亿吨，平均品位为38%。该矿床中的石榴石类型多样（Grt I至Grt IV），分布于不同的原岩环境中，这些原岩包括花岗岩（矽卡岩内部）、角闪岩至大理石（矽卡岩外部）。本研究系统地分析了马肯矿床石榴石的纹理、主要元素和微量元素以及U-Pb同位素特征。研究结果表明，这些石榴石属于钙铝榴石-钙铁榴石系列，具有明显的振荡分带现象（Adr₁₀₀-Adr₂₀）。以钙铁榴石为主的部分（Adr_70～100）表现出富集轻稀土元素（LREE）的特征，并具有正Eu异常，这表明其结晶过程发生在相对氧化的流体环境中，且水/岩比较高、系统较为开放；而以钙铝榴石为主的部分（Adr_20～70）则表现出LREE亏损的特征，表明其结晶过程发生在相对还原的流体环境中，且水/岩比较低、系统较为封闭。石榴石的U-Pb测年结果为1.321±2.7 Ma和1.332±1.6 Ma，与马肯地区大洋-朱洲花岗岩的结晶年龄（1.326±1.3 Ma）基本一致，说明该时期的岩浆-热液活动是铁矽卡岩矿化的主要成因。此外，马肯石榴石还富含锡（平均1098 ppm）和钨（平均138 ppm），以及少量的镓（平均19 ppm）和锗（平均46 ppm），其中某些元素的浓度可达到数百 ppm。钨和锡的高含量可能表明该地区存在W-Sn矿化作用；而镓和锗的存在则与其亲石性有关，暗示这些元素在源岩中相对富集。本研究通过马肯矿床案例表明，石榴石能够有效记录矽卡岩的演化过程及其相关的物理化学条件。

引言

石榴石作为矽卡岩的代表性矿物，分布广泛且类型多样（参见Meinert等人，2005年）。其典型的振荡分带现象能够反映热液流体的演化过程以及矿物形成过程中的物理化学条件（参见Jamtveit等人，1993年；Smith等人，2004年；Gaspar等人，2008年；Wang等人，2021年；Xu等人，2016年、2020年、2024年；Wen等人，2024a年）。石榴石具有可测量的U和Pb浓度，并具有较高的封闭温度（>850°C），因此非常适合进行U-Pb测年（参见Baxter等人，2017年；Seman等人，2017年；Li等人，2023年）。最近的研究表明，在铁矽卡岩矿床中，石榴石中稀土元素（REE）、钇（Y）和铀（U）等微量元素的含量、分布及替代机制的变化为晶体生长和早期流体演化提供了重要信息（参见Jamtveit等人，1993年；Shu等人，2017年；Gaspar等人，2008年；Chu等人，2023年；Wen等人，2024a年）。特别是多价元素（如U、Ce、Eu）能够反映早期热液流的氧逸度、pH值和挥发性成分，从而有效约束流体演化路径和矿床形成环境（参见Li等人，2019年；Jiang等人，2021年；Jiang等人，2023年；Shu等人，2024年；Wen等人，2024b年）。

石榴石中的金属元素（如锡、钨、钼、铟）含量反映了它们在源岩热液中的丰度，是评估矿化经济潜力的重要指标（参见Shannon等人，1976年；Newberry等人，1983年；Fan等人，2021年；Liu等人，2021年；Meyer等人，2024年；Reinhardt等人，2025年；Zhu等人，2026年）。Xu等人（2016年）指出，西藏芝布拉矽卡岩铜矿床中石榴石中的高钼含量可能与后期钼矿化的不充分发育有关。Park等人（2017年）指出，韩国桑东-元东矿床中晚期石榴石中的钨富集是控制钨矿化的重要因素。Li等人（2016年）提出，在黄沙坪多金属矿床中，早期流体具有较低的氧逸度和较少的钙铁榴石成分，有利于钨和锡的后期富集；而较高的氧逸度和较高的氯含量则促进了铜的迁移和矿化。Zhou等人（2017年）进一步强调，白干湖W-Sn矿区中富含锡的钙铁榴石-钙铝榴石是W-Sn勘探的可靠指示矿物。总体而言，石榴石中的微量元素，尤其是成矿元素和多价元素，对于约束矿化过程和指导勘探具有显著意义（参见Newberry等人，1983年；Zhou等人，2017年；Fan等人，2021年；Jiang等人，2021年；Jiang等人，2023年；Meyer等人，2024年；Reinhardt等人，2025年）。

以往关于马肯矽卡岩矿床的研究主要集中在相关岩浆岩的地球化学和地质年代学特征及其与铁矿化的成因关系上（参见Yang等人，2020年；Yi等人，2024年；Feng等人，2025年）。针对石榴石的详细矿物学研究仍相对较少，这些研究主要利用背散射电子显微镜（BSE）、电子探针显微分析（EPMA）和激光烧蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）技术来分析马肯铁矽卡岩矿床中石榴石的特征及主要元素和微量元素的分布。研究结果为石榴石的形成条件及其晶体结构中微量元素（如稀土元素）的替代机制提供了新的见解。此外，将马肯石榴石与其他已研究的锡（W）矿床中的石榴石进行比较后发现，石榴石中的锡和钨含量可作为评估这些元素矿化的重要指标，为矿床勘探提供参考。

区域地质

马肯铁矽卡岩矿床位于中国东南部的福建省西南部，属于卡西亚地块（图1a）。由于独特的构造环境，该地区经历了复杂的地质演化过程，包括前寒武纪时期的卡西亚地块形成和裂解、晚古生代的盆地发育以及中生代的强烈岩浆-构造活动（Wang和Li，2003年；Wang等人，2018年）。该地区还存在其他多个矿床。

矿床地质

矿区主要由上古生代地层构成，岩层呈NE-SW走向并向NW方向倾斜。从东南向西北方向，地层逐渐变新，依次为：下石炭统的林迪组（由粉砂岩、石英砂岩和凝灰质砂岩组成）；上石炭统的景石组至二叠纪中期的岐峡组（以大理石和条带状石灰岩为主）；以及二叠纪中期的文比山组和桐子岩组。

采样与分析

共采集了97个马肯矿床样品，其中76个样品被选用于制备抛光薄片。通过偏光显微镜观察和BSE图像分析后，进一步选取了18个代表性样品进行EPMA和LA-ICP-MS分析。

石榴石的定量成分和元素分布分析在福州大学地质与矿业学院完成。详细信息见电子文档。

石榴石的岩石学特征

根据原始围岩类型的差异，马肯铁矽卡岩矿床中的石榴石可分为四种类型（见图2、图3）。

第I型石榴石（GrtI）主要存在于岩浆岩中，代表了矽卡岩内部的典型蚀变特征。红色石榴石和绿色辉石分布在整个蚀变花岗岩中。在平面偏振光下，石榴石呈浅棕色并具有明显的分带现象；而在交叉偏振光下则呈现蓝白色。

石榴石U-Pb地质年代学的意义

石榴石保留了多种同位素系统，包括U-Pb、Sm-Nd和Lu-Hf。其中，U-Pb系统的封闭温度最高（>850°C）（Mezger等人，1989年；Qiu等人，2024年），使得石榴石能够较好地保留其形成年龄，受后期构造热事件的影响较小。先前的研究表明，含有丰富的铀的包裹体（如磷灰石、独居石和锆石）可能会影响U-Pb测年的准确性（Deng等人，2017年；Qiu等人，2024年）。在本研究中，对两个石榴石颗粒进行了分析……

结论

• （1）石榴石的U-Pb测年结果显示其形成年龄约为1.32 Ma，证实了铁矽卡岩矿化与同期花岗岩岩浆活动之间的成因联系。
• （2）石榴石属于钙铝榴石-钙铁榴石系列，可分为四种类型。富含钙铝榴石的类型富集高场强元素（HFSE），贫乏轻稀土元素（LREE），并具有负Eu异常；而富含钙铁榴石的类型则表现出HFSE亏损、右倾的REY元素分布和正Eu异常。
• （3）这些成分变化反映了从……

作者贡献声明

庄子涵：撰写——初稿。徐静：撰写——初稿。郑伟：撰写——审稿与编辑。赵太平：撰写——审稿与编辑。沈火春：撰写——审稿与编辑。胡嘉兴：撰写——审稿与编辑。邢波：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们非常感谢两位匿名审稿人的建设性意见。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：92462306、42230807）、福建省自然科学基金（项目编号：2023 J05110）以及湖南省教育厅科研经费（项目编号：22A0509）的财政支持。同时感谢刘文远博士和孔凌天在野外工作中的协助。